الطبقات والشقوق في القلوب السيراميكية المطبوعة بـ DLP

يتطلب القلب الخزفي للشفرات المجوفة للمحرك الهوائي دقة أبعاد عالية للغاية وسلامة هيكلية. من الصعب تشكيل قنوات تبريد داخلية معقدة من خلال العمليات التقليدية (قولبة الحقن، وقولبة حقن الهلام)، وأصبحت الطباعة ثلاثية الأبعاد المعالجة بالضوء DLP حلاً ممكنًا. لكن تقريبًا كل من استخدم تقنية المعالجة الرقمية للضوء (DLP) لطباعة قلوب السيراميك واجه نفس المشكلة: يحتوي القلب الملبد على بنية طبقات واضحة، وتكون الشقوق عرضة لحدوثها بين الطبقات، ويتم توزيع المسام بشكل غير متساو، مما يؤدي في النهاية إلى كسر النواة أو تشوهها أثناء عملية الصب.

يعزو العديد من الأشخاص السبب إلى عدم كفاية عمق المعالجة لمعلمات الطباعة، وسمك الطبقة الكبير جدًا، ونظام التلبيد غير المعقول. وجد البحث التعاوني بين فريق البروفيسور لي جينجو من معهد أبحاث المعادن بالأكاديمية الصينية للعلوم وفريق البروفيسور باولو كولومبو من جامعة بادوفا في إيطاليا أن المشكلة الحقيقية تكمن في عملية الكشط. يحدد المحتوى الصلب للملاط بشكل مباشر بنية مجال التدفق أثناء عملية الكشط، وبالتالي التحكم في تكوين البنية الطبقية وتوزيع الشقوق.

1. ميكانيكا الموائع لعملية الكشط: يحدد المحتوى الصلب عرض منطقة التدفق الصفحي

قبل تشكيل كل طبقة من طباعة DLP، هناك عملية نشر: تقوم الكاشطة بمسح سطح الطبقة الصلبة بسرعة معينة لنشر الملاط الجديد. تبدو هذه العملية بسيطة، ولكنها في الواقع تحدد توزيع جزيئات السيراميك داخل الطبقة.

منطقة التدفق الصفحي: معقل لطبقات الجسيمات

اكتشف فريق البحث من خلال محاكاة CFD أنه أثناء عملية الكشط، توجد منطقة تدفق طبقي خلف الكاشطة. في هذه المنطقة، يتدفق الملاط بسلاسة، ويكون تدرج السرعة صغيرًا، ولدى الجسيمات ذات الأحجام المختلفة الوقت الكافي للاستقرار والفصل.

النتائج الرئيسية: مع زيادة المحتوى الصلب للملاط من 45 حجمًا إلى 65 حجمًا، يضيق عرض منطقة التدفق الصفحي بشكل ملحوظ. كلما زاد المحتوى الصلب، زادت لزوجة الملاط، وأقوى مقاومة التدفق، وتم ضغط منطقة التدفق الصفحي، وتم تقصير وقت بقاء الملاط خلف المكشطة، ولم يكن لدى الجزيئات وقت للفصل بشكل ملحوظ.

التحقق التجريبي: من المحاكاة إلى القياس الفعلي

استخدمت الدراسة ملاط النظام الثلاثي المنصهر من السيليكا/ZrO2/Al2O3 (السيليكا المنصهرة 76% بالوزن، D50=20 ميكرومتر؛ ZrO2 20% بالوزن، D50=10 نانومتر؛ Al2O3 4% بالوزن، D50=10 ميكرومتر) بمحتوى صلب من 45 إلى 65% بالحجم.

يُظهر اختبار اللزوجة أن الملاط يُظهر سلوكًا مائعًا نيوتونيًا قريبًا في نطاق 45 إلى 60٪ حجمًا، وتكون اللزوجة معتدلة عند معدل قص الكاشطة الفعلي البالغ 200 ثانية-1؛ عند 65 حجمًا٪، تزداد اللزوجة بشكل حاد، ويحدث سلوك سماكة القص. وهذا يعني أن 65% من الملاط يتطلب قوة كشط أكبر في الطباعة الفعلية، وإلا فإن الطبقة ستكون غير مستوية.

2. الأدلة المجهرية: كيف يعيد المحتوى الصلب كتابة بنية الطبقات

يوفر تحليل SEM وEPMA الأدلة الأكثر بديهية.

محتوى منخفض من المواد الصلبة: فصل صفائحي كبير

بعد تلبيد العينة التي يبلغ حجمها 45% عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية، أظهرت صورة SEM بنية طبقات واضحة: تم إثراء جزيئات السيليكا الكبيرة المنصهرة داخل الطبقة، وتم إثراء الجسيمات النانوية ZrO2 عند السطح البيني بين الطبقات. يؤكد توزيع عنصر EPMA أن عنصر Zr يتم إثراءه عند الواجهة بين الطبقات، مما يشكل خط تدرج واضح للعنصر. وينتج هذا الفصل العنصري عن ترسيب الجزيئات الكبيرة في قاع الطبقة أثناء عملية الكشط، بينما يتم نقل الجسيمات النانوية إلى أعلى الطبقة.

محتوى صلب عالي: يختفي الهيكل الصفائحي

عندما يتم زيادة المحتوى الصلب إلى 60%، يضعف هيكل الطبقات بشكل ملحوظ؛ تكون الواجهة الصفائحية غير مرئية تقريبًا في العينة التي يبلغ حجمها 65%، ويتم توزيع جسيمات ZrO2 النانوية بالتساوي في مصفوفة الكوارتز المنصهرة. تظهر نتائج EPMA أن توزيع عنصر Zr يميل إلى أن يكون موحدًا ولم يعد مُثريًا عند الواجهة بين الطبقات.

الاستنتاج: زيادة المحتوى الصلب يمكن أن يزيل العزل الصفائحي ويحقق تجانس البنية المجهرية.

3. تغيير وضعية التشقق: من التشققات الطولية إلى التشققات البينية

لا يعد الهيكل متعدد الطبقات من سمات البنية المجهرية فحسب، بل يحدد أيضًا بشكل مباشر موقع بدء الشقوق ومسار انتشارها.

محتوى صلب منخفض: طولي من خلال الشقوق

ظهرت شقوق طولية واضحة بعد التلبيد في العينة التي يتراوح حجمها من 45 إلى 50%، مما أدى إلى اختراق طبقات طباعة متعددة على طول اتجاه السُمك. ينشأ هذا الكراك من عدم تطابق التمدد الحراري بين المنطقة المخصبة بـ ZrO2 في واجهة الطبقة البينية ومصفوفة السيليكا المنصهرة داخل الطبقة: أثناء عملية التلبيد، يخضع ZrO2 لتغير الطور (t→m) مصحوبًا بتوسع الحجم، مما يولد إجهاد الشد في الواجهة، مما يتسبب في بدء الشقوق وتوسيعها عموديًا على طول الطبقة البينية.

محتوى صلب عالي: مسام كبيرة داخل الطبقات + شقوق بين الطبقات

اختفت الشقوق الطولية للعينة التي يتراوح حجمها من 60 إلى 65% وتم استبدالها بمسام كبيرة داخل الطبقة وشقوق صغيرة بين الطبقات. وذلك لأن الجزيئات الموجودة في الملاط عالي الصلابة تكون معبأة بشكل أكثر إحكامًا، وتختفي الواجهة بين الطبقات، ولا يمكن أن تنتشر الشقوق على طول الواجهة؛ ومع ذلك، بسبب اللزوجة العالية للملاط، يصعب تفريغ الفقاعات، مما يشكل مسام كبيرة معزولة في الطبقة.

المقايضة: المحتوى العالي من المواد الصلبة يزيل التشقق الطولي ولكنه يقدم أشكال عيب جديدة (مسام كبيرة داخل الطبقة). يجب حل هذه المشكلة عن طريق إضافة عوامل إزالة الرغوة إلى صيغة الملاط أو تحسين عملية نزع الهواء.

4. بيانات الأداء: المفاضلة العالمية بين المسامية والقوة والانكماش

تنعكس التغييرات في البنية المجهرية في نهاية المطاف في الخصائص العيانية.

المسامية المفتوحة

ومع زيادة المحتوى الصلب من 45 في المائة إلى 65 في المائة، انخفض معدل الافتتاح من حوالي 35 في المائة إلى حوالي 25 في المائة. المحتوى الصلب المرتفع يعني أن الجسيمات تتراكم أكثر صرامة وتصبح أكثر كثافة عندما تحترق

قوة الانحناء

تزداد قوة الانحناء في درجة حرارة الغرفة مع زيادة المحتوى الصلب: 45 حجم% يبلغ حوالي 8 ميجا باسكال، و60 حجم% يصل إلى 15 ميجا باسكال. ومع ذلك، يُظهر اختبار القوة عند درجة حرارة عالية تبلغ 1500 درجة مئوية أن تأثير المحتوى الصلب على قوة درجة الحرارة المرتفعة ليس بنفس أهمية درجة حرارة الغرفة، ويتم التحكم فيه بشكل أساسي عن طريق تفاعل التوليف ZrSiO4 في الموقع.

انكماش التلبد

يُظهر انكماش التلبيد لعينات المحتوى الصلب المنخفض تباينًا واضحًا: الانكماش في الاتجاه Z (اتجاه سمك الطبقة) أكبر من الاتجاه X/Y. وذلك لأن المنطقة الغنية بـ ZrO2 في واجهة الطبقة البينية تتمتع بنشاط تلبد عالي وقوة دافعة كبيرة للانكماش. يضعف تباين العينات ذات المحتوى الصلب العالي، وتميل معدلات الانكماش في الاتجاهات الثلاثة إلى الثبات.

5. التنوير الهندسي: تحسين المحتوى الصلب ليس بأعلى مستوى ممكن

يوفر هذا البحث إطارًا توجيهيًا هندسيًا واضحًا:

المحتوى الصلب 45~50%: لزوجة منخفضة، سيولة جيدة، مناسبة للقولبة الدقيقة للهياكل المعقدة؛ ومع ذلك، فإن الفصل الشديد بين الطبقات وارتفاع مخاطر الشقوق الطولية، مناسب لسيناريوهات التطبيق التي لا تتطلب تجانسًا عاليًا في البنية المجهرية.

المحتوى الصلب 55~60%: يبدأ الهيكل الطبقي في الضعف، والأداء العام هو الأفضل، وهو مناسب لمعظم التطبيقات الأساسية الخزفية.

المحتوى الصلب 60~65%: يختفي الهيكل الصفائحي، وتكون الكثافة والقوة مثالية؛ ومع ذلك، يتمتع الملاط بلزوجة عالية، الأمر الذي يتطلب تحسين نظام الكشط وعملية نزع الهواء، مما يجعله مناسبًا للمكونات الرئيسية ذات متطلبات القوة العالية للغاية.

الاستنتاج الأساسي: المحتوى الصلب هو معلمة التحكم الأولى في البنية المجهرية لطباعة السيراميك DLP، وهو أكثر أهمية من معلمات الطباعة ونظام التلبيد. يمكن أن يؤدي تحسين المحتوى الصلب إلى حل مشكلة البنية الطبقية والشقوق بشكل أساسي بدلاً من ضبط عمق التصلب وسمك الطبقة ومنحنى التلبيد.

الاستنتاج

تكشف هذه الدراسة التي أجراها معهد أبحاث المعادن والأكاديمية الصينية للعلوم وجامعة بادوا عن الطبيعة الهيدروديناميكية للهيكل الطبقي لطباعة السيراميك DLP: يتم تحديد عرض منطقة التدفق الصفحي أثناء عملية الكشط من خلال المحتوى الصلب للملاط. كلما كانت منطقة التدفق الصفحي أضيق، كان فصل الجسيمات أضعف، وكان هيكل الطبقات أقل وضوحًا. يمكن أن تؤدي زيادة المحتوى الصلب من 45 حجمًا إلى 65 حجمًا إلى القضاء بشكل منهجي على فصل عناصر الطبقة البينية، وتحسين توزيع المسام، وزيادة الكثافة والقوة، وفي نفس الوقت تغيير نمط الشقوق من الطولي عبر الشقوق إلى المسام الكبيرة داخل الطبقة. بالنسبة للتطبيقات الرئيسية مثل النوى الخزفية ذات الشفرات المجوفة لمحرك الطيران الفضائي، يوصى بالتحكم في المحتوى الصلب في نطاق 55 إلى 60% من الحجم لتحقيق التوازن بين تجانس البنية المجهرية وقابلية تشغيل العملية.

المراجع

[1] Q. Li, J. Liang, L. Biasetto, Y. Zhou, J. Li, P. Colombo, "استراتيجية لتحسين البنية المجهرية لقلب السيراميك المطبوع ثلاثي الأبعاد: التحميل والتدفق الصلب الملاطي"، مجلة جمعية السيراميك الأوروبية، المجلد. 46، 118275، 2026. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2026.118275